مدلسازي، طراحي و تحليل تعليق صندلي مبتني بر ساختار سختي منفي به منظور بهبود محيط ارتعاشي خلبان هليكوپتر

Modeling, design and investigation of seat suspension based on negative stiffness structure to improve the vibration environment for helicopter pilots

ارتعاشات انتقالي به سرنشين هليكوپتر سرمنشاء بسياري از مشكلات سلامتي مي‌باشد. در اين مقاله به منظور بهبود محيط ارتعاشي براي خلبان، يك مكانيزم تعليق با ساختار سختي منفي پيشنهاد شده است. ساختار سختي منفي در تركيب با ساختارهاي سختي مثبت مي‌تواند سختي ديناميكي كل سيستم و در نتيجه انتقال‌پذيري ارتعاش را كاهش دهد. ويژگي اصلي تعليق پيشنهادي كاهش ارتعاشات انتقالي به سرنشين در كنار حفظ قابليت باربرداري آن مي‌باشد. در اينجا پس از ارائه يك مدل يكپارچه از سيستم تعليق صندلي– سرنشين، روند طراحي پارامترهاي سيستم تعليق به منظور كاهش ارتعاشات انتقالي به سرنشين ارائه مي‌شود. به منظور بررسي عملكرد سيستم تعليق در حالت واقعي و نزديك كردن نتايج به واقعيت، شبيه‌سازي‌ها بر اساس سيگنال واقعي اندازه‌گيري شده كف كابين هليكوپتر بل-412 انجام شد. سپس با استفاده از استاندارد ايزو-2631 و معيارهاي مرسوم، ميزان ارتعاش صندلي و اجزاي مختلف بدن خلبان ارزيابي گرديد. نتايج نشان از عملكرد مناسب تعليق طراحي شده است بطوريكه دامنه موثر و مقدار دوز ارتعاش ارتعاش عمودي در اجزاي مختلف بدن سرنشين نشانگر كاهش متوسط حدود 40% دامنه ارتعاش مي‌باشد. همچنين درجه ناراحتي از محدوده " ناراحت كننده" به "مقدار كمي ناراحتي" ارتقا يافت. نتايج همچنين نشان داد كه طيف فركانسي ارتعاش كف كابين به طيف فركانسي روي صندلي و سر خلبان نزديك بوده و عملاً مدولاسيون فركانسي در طي مسير ارتعاش از كف تا صندلي و سپس سر سرنشين اتفاق نمي‌افتد.

The vibration transmitted to helicopter aircrew is the main risk factor for their health. In this paper, a seat suspension based on a negative stiffness structure is proposed to improve the vibration environment for the aircrew. The main advantage of the proposed seat suspension is mitigation of vibration transmitted to occupant in the same time keeping the system payload capacity. Hereafter deriving the dynamic model of the proposed system, the occupant model is attached to achieve an integrated occupant-seat-suspension model. Next, the design procedure of suspension parameters is presented to reduce the vibration transmission. In order to reach realistic results, the simulations are performed using the measured data on Bell-412 helicopter cabin floor. Then, the level of vibrations transmitted to seat and pilot body parts are evaluated using ISO-2631 and common criteria. The results show the performance of system based on negative stiffness structure is good in terms of vibration reduction so that root mean square and vibration dose value of vertical vibration for pilot’s body parts are mitigated about 40% in comparison with cabin floor vibration. Also, according to ISO-2631, comfort level is upgraded from uncomfortable to a little uncomfortable which represents promotion of ride quality and improvement of vibration environment for the pilot. Furthermore, the results indicate that no frequency modulation happens in the vibration transfer path from the cabin floor to the pilot’s head.